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«Recortar» los estados de los bordes de un aislante topológico conduce a una nueva clase de materiales con transporte de bordes «bidireccional» no convencional, según un nuevo estudio teórico de la Universidad de Monash, Australia.
El nuevo material, un aislante cristalino topológico (TCI), representa una adición prometedora a la familia de materiales topológicos y amplía significativamente el alcance de materiales con propiedades topológicamente no triviales.
Su pronunciada dependencia de la simetría también allana el camino para nuevas técnicas de manipulación del transporte de bordes y ofrece aplicaciones potenciales en futuros dispositivos de transistores. Por ejemplo, el TCI se puede «conmutar» mediante un campo eléctrico que rompe la simetría que sustenta la topología de banda no trivial, suprimiendo así la corriente de borde.
Este descubrimiento innovador mejora significativamente nuestra comprensión fundamental de cómo se mueven las corrientes de espín en materiales topológicos y proporciona información valiosa sobre el comportamiento de estos fascinantes sistemas.
Desafiando la definición establecida de aisladores topológicos
Empecemos citando la elegante definición de aisladores topológicos según la visión de FLEET:
“Los aisladores topológicos conducen la corriente sólo a lo largo de sus bordes y estrictamente en una dirección. Este camino unidireccional conduce la corriente sin pérdida de energía a través de la resistencia”.
Sin embargo, este nuevo estudio teórico, realizado por el grupo de informática de la Universidad de Monash, desafía esta visión topológica-física estándar al descubrir un nuevo tipo de transporte de borde que lleva a una reevaluación de la frase «estrictamente unidireccional».
Cambiar esta frase no es tarea fácil. El material topológico se asemeja a un gran árbol enraizado en el suelo sólido de «correspondencia masa-borde», lo que significa que las propiedades intrínsecas de la masa determinan la naturaleza de la corriente de borde.
Así como se debe podar un árbol para mantener su forma y salud, los estados de los bordes de un material topológico también deben ajustarse para adaptarse a diversas aplicaciones en electrónica y espintrónica.
El equipo de investigación logró con éxito el objetivo de extraer un nuevo tipo de corriente de espín de borde en un material topológico bidimensional, el bismuto plano, al proponer un método novedoso para manipular los estados de los bordes a través de interacciones masa-borde, similar al trabajo de poda realizado en jardinería. .
Este descubrimiento innovador ampliará enormemente nuestra comprensión fundamental de cómo se mueven las corrientes de espín en materiales topológicos y proporcionará información valiosa sobre el comportamiento de estos fascinantes sistemas.
Textura de espín no convencional oculta en la topología protegida por simetría
Apodado aislante cristalino topológico (TCI), el material recién descubierto representa una adición prometedora a la familia de materiales topológicos y se basa en el principio de que las corrientes de borde conductoras siguen siendo resistivas mientras existan ciertas simetrías cristalinas en su conjunto.
El descubrimiento de TCI amplía enormemente el alcance de los materiales con propiedades topológicamente no triviales. Su pronunciada dependencia de la simetría también allana el camino para nuevas técnicas de manipulación del transporte de bordes y ofrece aplicaciones potenciales en dispositivos de transistores.
Por ejemplo, al someter TCI a un campo eléctrico fuerte, la corriente de borde se puede suprimir cuando se rompe la simetría que sustenta la topología de banda no trivial. Una vez que se elimina el campo, las corrientes del borde conductor regresan inmediatamente, lo que demuestra la ventajosa propiedad de conmutación bajo demanda de TCI, que es ideal para la integración en dispositivos de transistores.
El apasionante potencial de TCI va más allá de ofrecer una forma alternativa de protección topológica. El equipo de investigación ha descubierto un modo no convencional de transporte de espín oculto en el borde del bismuto bidimensional TCI, un fenómeno que anteriormente se había pasado por alto en informes anteriores.
«Si bien se piensa comúnmente que el TCI exhibe el mismo modo de transporte de borde observado en los aisladores topológicos, donde cada corriente de espín (ascendente o descendente) es estrictamente unidireccional, nuestros resultados indican que el bismuteno plano del TCI alberga una nueva». de transporte de espín protegido por simetría de espejo”, explica el autor principal, el Dr. Yuefeng Yin, investigador asociado de Monash.
En este modo, la corriente de giro ya no se limita a direcciones fijas a lo largo del borde”.
Este modo de transporte de espín recientemente descubierto permite conceptos de diseño innovadores para dispositivos topológicos y permite el soporte de «tanto la corriente de carga pura sin transporte neto de espín como las corrientes de espín puras sin transporte neto de carga»– una posibilidad que no se puede entender en la comprensión convencional de los materiales topológicos.
“Este descubrimiento abre un nuevo camino hacia la realización del objetivo de FLEET de desarrollar dispositivos electrónicos con bajo consumo de energía.añade el autor correspondiente, el profesor Nikhil Medhekar, que también está afiliado a Monash.
«Aunque las corrientes idénticas polarizadas por espín que viajan en direcciones opuestas pueden no parecer útiles de inmediato, ofrecen nuevas oportunidades para la manipulación del espín que de otro modo serían inaccesibles en otros materiales topológicos».
El equipo de investigación prevé que este avance computacional estimulará más estudios experimentales y teóricos de seguimiento para explotar plenamente el potencial de este novedoso transporte de borde en aplicaciones electrónicas y espintrónicas.
Extracción de la corriente de giro con interacciones de borde masivo.
Después de descubrir una textura de espín poco convencional en bismuto TCI 2D plano, el objetivo del equipo de investigación es extraer las corrientes de espín exóticas de las bandas de borde entrelazadas explotando las interacciones masa-borde.
El término «interacciones volumen-borde» se refiere al uso de diferentes estrategias de ajuste, como B. la aplicación de campos eléctricos externos y potenciales de sustrato para ajustar selectivamente la alineación entre las bandas en masa y de borde preservando al mismo tiempo la topología de la banda en masa.
«Al elegir cuidadosamente los factores de sintonización, podemos aislar ramas específicas de estados de borde de la configuración entrelazada original». explica la Dra. Yuefeng Yin.
«Esto es crucial para una mayor investigación de la textura de espín no convencional que identificamos. Otro beneficio de este enfoque es que podemos mantener intacta la protección que ofrece la correspondencia masiva”.
Al utilizar un gran campo eléctrico externo y un potencial de sustrato débil, el equipo de investigación puede aislar la textura de espín no convencional dentro del borde, ocultando efectivamente los componentes de transporte de espín convencionales en la masa.
Además, estas interacciones entre el borde y el volumen permiten la existencia de canales de borde conductores incluso bajo la influencia de un gran campo eléctrico externo, contrariamente a la creencia común de que la aplicación de un campo eléctrico abre una banda prohibida en la región del borde.
El equipo de investigación también ha demostrado la capacidad de transformar las franjas nuevamente en una configuración de transporte de espín totalmente convencional, similar a la observada en los aisladores topológicos, aplicando potenciales de sustrato a orbitales selectivos.
Palabras del Prof. Nikhil Medhekar “Este es un hallazgo realmente notable. No solo hemos descubierto un nuevo tipo de textura de giro de borde en materiales topológicos, sino que también hemos demostrado una forma efectiva de manipularlos y preservarlos manteniendo la estricta topología de borde en masa”.
El equipo de investigación postula que estas innovadoras «técnicas de jardinería topológica» pueden extenderse a otros sistemas topológicos y proporcionar medios eficientes y flexibles para manipular las corrientes de borde.
El estudio
La extracción de una textura de espín no convencional en el aislante cristalino topológico bidimensional bismuteno mediante el ajuste de las interacciones masa-borde se ha publicado en Materiales Hoy Física en julio de 2023. (DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101168)
La metodología utilizada en este artículo se desarrolló a partir de una colaboración FLEET anterior entre Monash y RMIT titulada «Modelos de enlace estrecho basados en funciones de Wannier localizadas para alótropos bidimensionales de bismuto», publicado en Nueva revista de física en junio de 2021. (DOI: 10.1088/1367-2630/ac04c9)
Además del apoyo del Consejo Australiano de Investigación, el estudio utilizó recursos informáticos de la Infraestructura Computacional Nacional (NCI) de Australia y el Centro de Supercomputación Pawsey.
Fuente: https://www.fleet.org.au/
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